АВТОНОМНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР И СПОСОБЫ ЕГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

АННОТАЦИЯ

На сегодняшний день развитие эффективных и надежных систем генерирования электрической энергии – это современная задача в отрасли электроэнергетики, требующая своевременных решений. Данный вопрос следует рассматривать и в других сферах индустрии, к примеру, в судостроительной и в авиационной.

Как известно источники энергии обязаны иметь приемлемые показатели (энергетические, массогабаритные, стоимостные). Если рассматривать этот вопрос подробно, то можем убедиться, что тут все зависит от выбора типа электрической машины, которая будет использоваться как генератор. На данный момент в той роли получили большое распространение двигатели постоянного тока и синхронные машины. Они обладают рядом достоинств, но так же и серьезными недостатками, существенно ограничивающими их область применения, из-за чего следует, что целесообразнее применять асинхронные машины с короткозамкнутым ротором, а все потому что они п и прочной конструкцией, просты и удобны в обслуживании, и не боятся коротких замыканий. Однако, не будучи идеальной машиной, асинхронный двигатель имеет и недостатки, среди них, как правила выделяют следующие:

- относительная сложность системы управления выходного напряжения

- громоздкость и дороговизна источников реактивной мощности

Ныне вопросы уменьшения и удешевления источников реактивной мощности решаются путем разработки более эффективных легких конденсаторов, а с развитием полупроводниковой техники становится возможным создание систем генерирования электрической энергии типа «асинхронная машина-автономный инвертор напряжения». Данная система обладает меньшими габаритами и массой по сравнению с системой с конденсаторным возбуждением, кроме того она позволяет обеспечить высокое качество генерируемого напряжения и стабильную работу, по сему данная тема является актуальной задачей.

Рисунок 1. Описание изобретения к патенту

Автономный асинхронный генератор с автотрансформаторной обмоткой статора

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в асинхронных генераторах для автономных источников электроэнергии. Технический результат - снижение электрических потерь. Автономный асинхронный генератор содержит автотрансформаторную обмотку статора, состоящую из двенадцати катушечных групп с выводами. Первые три вывода соединены между собой и взяты от концов третьей, пятой и седьмой катушечных групп. Вторые три вывода взяты из объединенных начал девятой и конца восьмой катушечных групп, из объединенных начала одиннадцатой и конца десятой катушечных групп, из объединенных начала первой и конца двенадцатой катушечных групп соответственно. Три третьих вывода взяты от начал второй, четвертой и шестой катушечных групп. Конец второй катушечной группы соединен с началом восьмой катушечной группы, конец девятой с началом третьей, конец четвертой с началом десятой, конец одиннадцатой с началом пятой, конец шестой с началом двенадцатой, конец первой катушечной группы соединен с началом седьмой катушечной группы. Конденсаторы возбуждения подключены к третьим выводам генератора, а нагрузка - ко вторым трехфазным выводам. 2 ил.

Рисунок 2. Схема соединений выводов катушечных групп

Формула изобретения

Автономный асинхронный генератор с автотрансформаторной обмоткой статора, состоящей из катушечных групп с выводами, отличающийся тем, что состоит из двенадцати катушечных групп, расположенных в пазах статора, в виде шести частей - по две части на каждую фазу, смещенные на 30 электрических градусов по окружности статора с выводами, первые три вывода соединены между собой и взяты от концов третьей, пятой и седьмой катушечных групп, вторые три вывода взяты из объединенных начал девятой и конца восьмой катушечных групп, из объединенных начала одиннадцатой и конца десятой катушечных групп, из объединенных начала первой и конца двенадцатой катушечных групп соответственно, три третьих вывода взяты от начал второй, четвертой и шестой катушечных групп, при этом конец второй катушечной группы соединен с началом восьмой катушечной группы, конец девятой с началом третьей, конец четвертой с началом десятой, конец одиннадцатой с началом пятой, конец шестой с началом двенадцатой, конец первой катушечной группы соединен с началом седьмой катушечной группы, при этом конденсаторы возбуждения подключены к третьим выводам генератора, а нагрузка - ко вторым трехфазным выводам.

Способы возбуждения Асинхронного Генератора

Как уже утверждалось, асинхронному двигателю, при работе в генераторном режиме, необходима реактивная мощность, она нужна для создания магнитного поля, следовательно, ему необходим источник реактивной мощности. В качестве него будем использовать батарею конденсаторов (рисунок 3) или автономный инвертор напряжения, так как он является полупроводниковым преобразователем энергии (рисунок 4).

Как мы знаем, при применении конденсаторов ухудшаются стоимостные и массогабаритные показатели СГЭЭ, а кроме того возникают трудности при регулировании напряжения на выходе, именно это является тем фактором, который ограничивал применение асинхронных генераторов в автономных системах.

Рисунок 3. Принципиальная схема АГ с конденсаторным возбуждением

Частота и амплитуда выходного напряжения асинхронного генератора зависят от характера и величины нагрузки. Если нагрузка имеет индуктивный характер, то падение напряжения будет сильнее, чем при чисто активном. Это объясняется сильным размагничивающим действием индуктивной нагрузки, так как происходит снижение напряжения вдоль кривой намагничивания. Потому, для поддержания напряжения на одном уровне необходимо увеличение емкости конденсатора.  Если нагрузка имеет емкостной характер, то имеем противоположную позицию, необходимо меньшее значение емкости конденсаторов. Таким образом, на параметрах выходного напряжения генератора сказывается переменный характер нагрузки.

Важно отметить, что значение величины емкости конденсатора должно находиться в определенном диапазоне, иначе может произойти срыв процесса самовозбуждения генератора и генерации электроэнергии.

Важнейших вопрос, связанный с практикой эксплуатации асинхронных генераторов - это регулирование параметров напряжения. Его можно осуществить путем изменения емкости или напряжения, например, с помощью способов. Однако стоит отметить, что эти методы имеют недостатки, приводят к усложнению конструкции и увеличению массогабаритных показателей, именно это и ограничивает их применение.

Можем сделать вывод, что конденсаторное возбуждение асинхронного генератора имеет недостатки и сопровождается трудностями. Первое, при подборе необходимой величины емкости, и второе, при регулировании параметров выходного напряжения.

В нынешнее время существенный интерес представляет инверторное возбуждение (рисунок 4). В качестве источника реактивной мощности берется автономный инвертор напряжения, на его входе находится конденсатор – который является источник емкостного тока. Сам инвертор работает в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ) выходного напряжения.

Рисунок 4. Схема АГ с инверторным возбуждением

В режиме инверторного возбуждения, асинхронная машина может работать в автономном генераторном режиме при отключенном фильтровом конденсаторе.

Так как индуктивно-емкостные фильтры есть как в звене постоянного, так и в звене переменного тока, то это необходимо учитывать при оценке реактивно-емкостной мощности (рисунок 5). Нелинейность работы полупроводникового преобразователя, что определяется системой управления коммутацией ключей инвертора, а также наличие нескольких реактивных элементов, усложняет процесс математического описания выражения реактивной мощности.

Рисунок 5. Схема полупроводникового частотного преобразователя

Конденсатор является неотъемлемым звеном частотного преобразователя, который не только выполняет функции фильтра, но и задает для инвертора режим работы. Функции конденсатора при двухзвенном преобразовании энергии, заключаются в сглаживании пульсаций напряжения и устранении перенапряжений, которые связанны с коммутацией силовых элементов инвертора при работе на активно-индуктивную нагрузку. Число пульсаций определяет напряжение в звене постоянного тока, оно характеризуется видом выпрямительного блока и числом фаз. Чем больше емкость конденсатора, тем меньше пульсации в звене постоянного тока. Выбор конденсатора с большей емкостью сказывается на ухудшении динамических характеристик частотного преобразователя.

Однако стоит отметить, что использование любого фильтра помимо положительных эффектов имеет ряд недостатков, такие как увеличение стоимости и габаритов готового устройства, а также падение напряжения на фильтре.

При помощи инвертора, получаем переменное напряжение, которое проходит через индуктивно-емкостной фильтр для сглаживания формы и устранения высокочастотных гармоник. Для исключения резонансных явлений на высокочастотных составляющих, при выборе данного фильтра стоит уделить внимание подбору подходящего по индуктивности дросселя фильтра, а также значение емкости конденсатора выбирают из условия выполнения заданного коэффициента гармоник и равенства волнового сопротивления фильтра сопротивлению нагрузки.

Благодаря чему, сама реактивная энергия инвертора выходного напряжения имеет несколько ступеней образования, поэтому расчет данной величины является непростой задачей, в купе с нелинейной работой самого частотного преобразователя и нелинейности намагничения асинхронной машины, которая выступает в качестве нагрузки, потребителя реактивной энергии.

Стоит отметить, что при использовании промышленных преобразователей для возбуждения асинхронных генераторов нет возможности и необходимости замены конденсаторов в фильтрах звеньев постоянного и переменного тока, так как реактивные элементы фильтров рассчитаны и подобраны таким образом, чтобы минимизировать пульсации и обеспечить на заданном уровне коэффициент гармоник.

Список литературы:

1. Соколовский, Г. Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием: учебник для вузов / Г. Г. Соколовский. – Москва: Издательский центр «Академия», 2006. – 272 с.
2. Алиев, И.И. Динамические режимы асинхронного генератора с гарантированным самовозбуждением / И.И. Алиев // Электричество.– 2002. –№ 6. – C. 37–40.
3. Алиев, И.И. Асинхронный генератор с гарантированным самовозбуждением/И.И. Алиев, В.Я. Беспалов, Ю.Б. Клоков // Электричество.–1997.–№7.–C.54–59.
4. Беспалов, В. Я. Электрические машины: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / В. Я. Беспалов, Н. Ф. Котеленец. – Москва: Издательский центр «Академия», 2006. – 320 с.
5. Бертинов, А.И. Специальные электрические машины. Источники и преобразователи энергии: учебное пособие – М.: Энергоатомиздат, 1993. – ч.1. – 391 с.; ч.2. – 366 с.
6. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный аграрный университет имени И.Т. Трубилина" (RU). Патент RU2640403C1